碳素材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法的研究

摘 要：碳素材料是當(dāng)前比較常見的一種無(wú)機(jī)非金屬材料，由于其特殊的性質(zhì)和性能，因而在很多領(lǐng)域中都逐漸得到廣泛的應(yīng)用。不過，也正是因?yàn)樘妓夭牧媳旧淼脑?，?dǎo)致其無(wú)損檢測(cè)面臨著很大的難度。無(wú)損檢測(cè)是檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)碳素材料內(nèi)部缺陷的重要方法，主要包括超聲波檢測(cè)、X射線檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)等。應(yīng)結(jié)合碳素材料自身特點(diǎn)，對(duì)各種檢測(cè)方法加以分析，進(jìn)而找出最適合碳素材料內(nèi)部缺陷檢測(cè)的方法，為碳素材料質(zhì)量提供更大的保障。

關(guān)鍵詞：碳素材料;內(nèi)部缺陷;檢測(cè)方法

0 引言

近年來，隨著科技水平和工業(yè)水平的不斷提升，碳素材料作為一種重要的無(wú)機(jī)非金屬材料，在很多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，也發(fā)揮了越來越重要的作用。碳素材料具有化學(xué)穩(wěn)定性良好、彈性模量較低、耐高溫耐腐蝕性能強(qiáng)、自潤(rùn)滑強(qiáng)、導(dǎo)電性能好等諸多優(yōu)勢(shì)，在航天、竣工、國(guó)防等諸多領(lǐng)域，都能發(fā)揮重要作用。但是，由于燃素材料自身性質(zhì)和工藝，在制造中容易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷，從而導(dǎo)致性能降低和壽命縮短。必須采取有效方法，將碳素材料內(nèi)部缺陷準(zhǔn)確檢出，以保證其良好的應(yīng)用效果。

1 碳素材料結(jié)構(gòu)特性及對(duì)檢測(cè)的影響

在碳素材料制品中，主要包括了兩個(gè)部分，分別是粘結(jié)劑和骨料。其中，常見的骨料類型包括炭黑、無(wú)煙煤、天然石墨、冶金焦、針狀焦、瀝青焦、石油焦等。而粘結(jié)劑的主要作用，是將骨料粘合形成整體，從而能夠加工成不同形狀的高強(qiáng)度制品[1]。粘結(jié)劑常用類型主要有合成樹脂、煤焦油、煤瀝青等。在碳素材料制品的生產(chǎn)過程中，采用不同的生產(chǎn)工藝，對(duì)于料粉粒度也有著不同的選擇要求。所以，不同的碳素材料制品，在結(jié)構(gòu)方面也是不容的。在結(jié)構(gòu)當(dāng)中，由于原子排列方式有所差異，因此不同種類的碳素材料制品，在實(shí)際用途、化學(xué)性質(zhì)、物理性能等方面，也都有所差異。另外，碳素材料的原材料種類、生產(chǎn)工藝等因素，也會(huì)對(duì)碳素材料制品的理化性能、均質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接的影響。蔡素材料制品結(jié)構(gòu)均質(zhì)問題，將會(huì)造成其耐腐蝕性能、抗壓強(qiáng)度、體積密度等技術(shù)指標(biāo)降低，對(duì)于內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)也將造成一定的干擾[2]。基于碳素材料自身特性，其在石墨化、焙燒、壓型等生產(chǎn)工藝當(dāng)中，都有可能會(huì)出現(xiàn)夾渣、結(jié)構(gòu)疏松、氣孔、裂紋都能夠內(nèi)部缺陷，進(jìn)而影響碳素材料制品的質(zhì)量。近年來，隨著人們對(duì)碳素材料制品認(rèn)識(shí)的不斷提升，逐漸積累了更多的豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于碳素材料制品不均質(zhì)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生原因，以及不均質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)碳素材料制品質(zhì)量造成的影響，已經(jīng)可以從不同方面加以探索。由于碳素材料制品往往存在內(nèi)部缺陷，因此其實(shí)際強(qiáng)度仍然無(wú)法完全達(dá)到理論強(qiáng)度的水平。因此，對(duì)于燃素材料的生產(chǎn)工藝、內(nèi)部缺陷問題等，都要進(jìn)行深入細(xì)致的研究，并將二者之間的關(guān)系理清，才能夠更好的開展碳素材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究。

2 碳素材料內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是碳素材料內(nèi)部缺陷檢測(cè)的一個(gè)重要方法，主要是通過電、磁、光、聲等特性，在不影響和不損害碳素材料制品的基礎(chǔ)上，對(duì)碳素材料中是否存在不均勻性、缺陷問題等加以檢出。同時(shí)需要確定內(nèi)部缺陷的數(shù)量、性質(zhì)、位置、大小等信息[3]。根據(jù)這些信息，判斷碳素材料的剩余壽命、是否合格等技術(shù)狀態(tài)加以判斷。目前，常用的內(nèi)部缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，主要包括了聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)、渦流檢測(cè)技術(shù)、液態(tài)滲透檢測(cè)技術(shù)、磁粉檢測(cè)技術(shù)、超聲檢測(cè)技術(shù)、射線照相檢測(cè)技術(shù)等。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)碳素材料的具體特點(diǎn)與性質(zhì)，做出合理選擇。

3 碳素材料內(nèi)部缺陷檢出的難點(diǎn)

碳素材料作為當(dāng)前常用的一種材料，其本身性質(zhì)特點(diǎn)及制造工藝比較特殊，因而很多內(nèi)部夾渣、氣孔、裂紋等缺陷問題是難以避免的。這些內(nèi)部缺陷的存在，將造成碳素材料制品使用壽命明顯縮短，導(dǎo)致碳素材料的實(shí)際應(yīng)用和推廣受到阻礙[4]。因此，采用有效的技術(shù)準(zhǔn)確檢出碳素材料內(nèi)部缺陷，是至關(guān)重要的。但是，在碳素材料無(wú)損檢測(cè)中，面臨著很大的難點(diǎn)。相比于其他粗晶材料，碳素材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要是特異性強(qiáng)、密度不均、空隙較多、晶體粗大、結(jié)構(gòu)疏松，存在比較多的強(qiáng)噪聲干擾。因此，其本質(zhì)特征確定性信息容易被湮沒，檢測(cè)信號(hào)信噪比很低，因而無(wú)法將碳素材料制品的內(nèi)部缺陷有效檢出。

4 碳素材料內(nèi)部缺陷無(wú)損檢測(cè)的現(xiàn)狀

目前，很多國(guó)家對(duì)碳素材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)開始了深入的研究，也取得了一定的成果。當(dāng)前主要的研究方向集中在超聲波、X射線、聲發(fā)射等領(lǐng)域。對(duì)超聲波檢測(cè)技術(shù)的研究中，碳素材料制品彈性模量、體積密度、氣孔大小等，都會(huì)對(duì)碳素材料中超聲波傳播速度造成影響。通過不斷的研究和實(shí)踐，也得出了一定的技術(shù)參數(shù)，對(duì)于碳素材料超聲波檢測(cè)提供了較大的支持[5]。不過，在碳素材料當(dāng)中，超聲波會(huì)發(fā)生比較多、比較復(fù)雜的衰減，因而對(duì)碳素材料進(jìn)行超聲波檢測(cè)，仍需要更加深入的研究理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才能提高結(jié)論的可靠性。關(guān)于X射線在碳素材料中的檢測(cè)研究，主要是對(duì)內(nèi)部孔隙、裂紋的檢測(cè)。例如，通過X射線對(duì)石墨塊探傷檢測(cè)，在300mm的石墨塊中，可探測(cè)出尺寸為3mm的內(nèi)部缺陷。聲發(fā)射檢測(cè)研究當(dāng)中，需要對(duì)碳素材料施加外界激勵(lì)，如果碳素材料制品不在工作狀態(tài)，該方法將無(wú)法發(fā)揮作用。盡管當(dāng)前對(duì)于碳素材料制品無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，已經(jīng)給開展了較多的研究，但是對(duì)于一些大規(guī)格碳素材料制品，內(nèi)部隱藏缺陷仍然難以有效探測(cè)，因而導(dǎo)致碳素材料無(wú)損檢測(cè)研究受到阻礙[6]。所以，對(duì)于碳素材料內(nèi)部規(guī)律及缺陷特征，都要更加深入的了解和認(rèn)識(shí)，對(duì)各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確把握及合理應(yīng)用，進(jìn)而為碳素材料質(zhì)量提供更好的保障。

5 碳素材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法分析

5.1 超聲波檢測(cè)

超聲波檢測(cè)是材料內(nèi)部缺陷檢測(cè)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，主要是利用了被檢測(cè)對(duì)象中超聲波的傳播及反射原理，對(duì)內(nèi)部缺陷位置、性質(zhì)、大小，以及材料某些物理性能等加以分析。由于碳素材料制品存在較多內(nèi)部缺陷，會(huì)引起嚴(yán)重的超聲波衰減，因而在碳素材料內(nèi)部缺陷檢測(cè)中，面臨著較大的難度。在相關(guān)研究中，使用超聲波探傷儀檢測(cè)陰極碳?jí)K、石墨的內(nèi)部人工缺陷。探頭對(duì)不同頻率超聲波進(jìn)行發(fā)射，接收端對(duì)超聲波信號(hào)加以接收，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器量化，然后想計(jì)算機(jī)輸入。根據(jù)研究結(jié)果顯示，接收的超聲波存在嚴(yán)重衰減，無(wú)法體現(xiàn)出有價(jià)值的波形，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效缺陷回波提取和噪聲消除[7]。所以，對(duì)于碳素材料內(nèi)部缺陷來說，超聲波回波法顯然并不合適。超聲波的波長(zhǎng)比較短，衍射能力不足，因而穿過孔隙障礙繼續(xù)傳播的性能也相對(duì)較低。所以，在超聲波傳播路徑上，如果有孔隙障礙存在，對(duì)于其傳播速度會(huì)造成影響。

基于此，可以根據(jù)這一特性，使用超聲波檢測(cè)碳?jí)K孔洞裂紋等缺陷。如果發(fā)現(xiàn)超聲波在碳?jí)K中速度改變，就可以初步判定碳?jí)K有結(jié)構(gòu)缺陷存在超聲波速度大小，通常會(huì)受到材料密度、彈性模量的影響，因此可利用泊松比、體積密度、彈性模量等參數(shù)，計(jì)算出縱波聲速。在碳素材料中，不同位置密度及彈性模量也有所差異，所以在不同的點(diǎn)，超聲波速度也有所不同。可以利用這一特點(diǎn)對(duì)碳素材料內(nèi)部之來那個(gè)加以判斷，不過對(duì)于內(nèi)部缺陷仍難以實(shí)現(xiàn)定量分析。目前，在碳素材料制品檢測(cè)中，這種方法也得到了一定的應(yīng)用，利用超聲波檢測(cè)被檢測(cè)物體，得到一定的聲速值，如果比這個(gè)值低，就說明材料內(nèi)部疏松程度過大。在我國(guó)，也有一些軍工企業(yè)，使用超聲波聲速對(duì)碳素材料制品均質(zhì)質(zhì)量加以控制。由此可見，利用超聲波檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)μ妓夭牧现破肪|(zhì)結(jié)構(gòu)加以檢測(cè)，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中也能夠取得理想的效果。不過由于碳素材料制品中，超聲波衰減較多，也比較復(fù)雜，因此在實(shí)際檢測(cè)中，仍難以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部缺陷的準(zhǔn)確分析。

5.2 X射線檢測(cè)

對(duì)于碳素材料制品內(nèi)部缺陷，單純采用超聲波檢測(cè)技術(shù)，難以準(zhǔn)確有效的判斷，所以，要探索出更加適合的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。通過研究發(fā)現(xiàn)，X射線可以對(duì)大規(guī)格陰極碳?jí)K內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢出，對(duì)于25mm2以上的夾渣、5mm以上的氣孔、0.5mm以上寬度及15mm以上長(zhǎng)度的裂紋，均可有效檢出，同時(shí)能對(duì)缺陷的位置、性狀、尺寸等加以體現(xiàn)?；诖?，設(shè)計(jì)和應(yīng)用X射線成像系統(tǒng)，運(yùn)用X射線機(jī)，利用X射線底片、數(shù)碼相機(jī)等，代替圖像采集卡、CCD攝像機(jī)、圖像增強(qiáng)器等設(shè)備。在膠片上獲取圖像，在冷光源強(qiáng)光觀片燈下用數(shù)碼相機(jī)攝像。然后在計(jì)算機(jī)中輸入得出的內(nèi)容，通過圖像格式轉(zhuǎn)換、MATLAB圖像處理工具，進(jìn)一步處理和分析獲取的圖像。根據(jù)研究顯示，在實(shí)際檢測(cè)中，針對(duì)不同的材料厚度、材料密度等，合理設(shè)定相關(guān)技術(shù)參數(shù)，能夠保證圖像效果理想，準(zhǔn)確檢測(cè)碳素材料的內(nèi)部缺陷。在不同位置、不同角度拍照分析，可以對(duì)缺陷位置準(zhǔn)確判定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部缺陷的定量分析。不過，基于X射線機(jī)自身靈敏度的限制，對(duì)于尺寸較小的缺陷可能無(wú)法準(zhǔn)確檢出。當(dāng)前使用的X射線機(jī)，能夠達(dá)到500mm的最大探測(cè)厚度，以及2%左右的探傷靈敏度，與機(jī)械自動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)配合，可以對(duì)一定范圍內(nèi)的內(nèi)部缺陷連續(xù)批量檢測(cè)。相比于超聲波檢測(cè)，X射線檢測(cè)在碳素材料制品內(nèi)部缺陷檢測(cè)中，可以達(dá)到更高的準(zhǔn)確率，不過費(fèi)用相對(duì)較高，并且對(duì)場(chǎng)地也有一定的要求。

5.3 聲發(fā)射檢測(cè)

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)中，材料或構(gòu)件由于受力產(chǎn)生斷裂或變形，其應(yīng)變能通常以彈性波的方式釋放出來，稱之為聲發(fā)射。通過對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的接收，開展材料研究及結(jié)構(gòu)完整性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，就是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于材料內(nèi)部變化過程可以連續(xù)監(jiān)視，是一種動(dòng)態(tài)化的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。另外，聲發(fā)射技術(shù)能夠有效減少材料本身的限制?；诖耍谔妓夭牧现破返膬?nèi)部缺陷檢測(cè)中，可利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)開展動(dòng)態(tài)檢測(cè)。不過，需要注意的是，對(duì)于非加載狀態(tài)下的碳素材料制品，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)就難以發(fā)揮出理想的作用。

6 結(jié)論

碳素材料是當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的一種無(wú)機(jī)非金屬材料，原材料一般以石油焦及瀝青為主。由于碳素材料自身的性質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生產(chǎn)工藝條件等因素，使其比較容易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷。這種情況將會(huì)對(duì)碳素材料制品的性能與質(zhì)量造成很大的影響，因此需要對(duì)其內(nèi)部缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)。不過碳素材料內(nèi)部缺陷檢測(cè)面臨著較大的難度，需要考慮其各方面特點(diǎn)，選擇合適的檢測(cè)方法，提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

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作者簡(jiǎn)介：

馬兵（1987- ），男，籍貫：湖南常德，土家族，學(xué)歷：本科，職務(wù)：生產(chǎn)部副主任，研究方向：碳素類。